Rozruch silnika trójfazowego pierścieniowego

W silniku pierścieniowym prąd rozruchowy można ograniczyć włączając do obwodu wirnika dodatkową rezystancję i nie zmniejszając przez to momentu krytycznego silnika.

Wirnik silnika asynchronicznego pierścieniowego ma uzwojenie trójfazowe połączone w gwiazdę. Końce faz tego uzwojenia są połączone z pierścieniami ślizgowymi, umieszczonymi na wale silnika, skąd też pochodzi nazwa silnika pierścieniowego. Szczotki przylegające do pierścieni połączone są z rozrusznikiem (rys. 1).

Rys. 1 Układ połączeń silnika asynchronicznego pierścieniowego z rozrusznikiem

Rozruch za pomocą rozrusznika w obwodzie wirnika ma bardzo dużo zalet. Przede wszystkim rezystancje rozrusznika ograniczają wartość prądu rozruchowego wirnika; Impedancja Z₂ jest powiększona o rezystancję R_d, przy czym R_d jest rezystancją rozrusznika na fazę.

Jak wiadomo, wartość momentu krytycznego M_k nie maleje przez włączenie oporu rezystancji do obwodu wirnika, natomiast poślizg, przy którym występuje M_k , wzrasta.

Bez R_d w obwodzie wirnika

a rezystancją R_d poślizg wyniesie

Wskutek tego punkt M_k przesunie się w kierunku mniejszych wartości prędkości obrotowej i przebieg charakterystyki M = f(n) ulegnie zmianie. Można nawet osiągnąć, że

czyli tak dobrać rezystancje rozrusznika, by moment maksymalny wystąpił przy s = 1, czyli przy n = 0, tj. w pierwszej chwili rozruchu. Gdyby próbować uruchomić silnik pierścieniowy bez rozrusznika, z uzwojeniem wirnika zwartym, wówczas, uzyskano by mimo bardzo dużego prądu rozruchowego mały moment rozruchowy.

Ze wzoru Klossa wyrażenie początkowego momentu rozruchowego wynosi:

Zwiększając s_k w zakresie od wartości s_k = 1, przy tym samym momencie M_k, otrzymujemy zwiększenie początkowego momentu rozruchowego.

Przy projektowaniu rozruszników należy wyznaczyć granice rozruchowe, tj. określić wartości maksymalnego i minimalnego momentu rozruchowego. Maksymalny moment rozruchowy powinien być mniejszy, a co najwyżej równy momentowi krytycznemu M_rmax ≤ M_k

Minimalny moment rozruchowy powinien być większy od momentu oporowego. Zazwyczaj się obiera

Przebieg rozruchu projektujemy w ten sposób, aby na każdym stopniu rozruchowym rozpocząć rozruch od tej samej stale maksymalnej wartości momentu rozruchowego M_rmax i przechodzić do następnego stopnia po zmniejszeniu się wartości momentu do tej samej stale minimalnej wartości momentu rozruchowego M_rmin.

W obliczeniach należy posługiwać się nie momentami, lecz prądami obwodu wirnika.

Przy rozruchu silnika pierścieniowego praca przebiega na tzw. „prostoliniowej” części charakterystyki mechanicznej, tzn. przy poślizgach mniejszych od poślizgu krytycznego, co można wyrazić nierównością

czyli:

Wynika stąd, że jeśli rozruch przebiega na tzw. „prostoliniowej” części charakterystyki mechanicznej, to spadki napięcia na rezystancji w obwodzie wirnika są zawsze większe od spadków napięcia na reaktancji. Można przyjąć, że prąd pozorny obwodu wirnika jest prawie równy prądowi czynnemu, a wobec tego, że moment rozwijany przez silnik
, przy Φ = const i Ψ
0, będzie proporcjonalny do prądu wirnika. Na tej zasadzie można napisać, że

Rys.2 Charakterystyki rozruchowe trójfazowego silnika asynchronicznego pierścieniowego

Pomijając reaktancję można napisać równanie odpowiadające pierwszej chwili rozruchu (punkt a na rys. 2-134)

bo s=1 (1)

w którym:

• E₂₀ -sem transformacji w obwodzie wirnika (na fazę),

• R₂ -rezystancja uzwojenia wirnika (na fazę),

• R_d1 -rezystancja dodatkowa na pierwszym stopniu rozruchowym.

Na końcu pierwszego stopnia rozruchowego analogicznie równanie (w p. b)

przybiera postać

(2)

Dzieląc stronami równanie (2) i (1) otrzymano

Podobnie postępujemy biorąc pod uwagę punkty c i d

a dzieląc odpowiednie równania stronami otrzymujemy

skąd

Postępując analogicznie z następnymi charakterystykami rozruchowymi, a w szczególności m-go stopnia, gdy m oznacza sztuczna charakterystykę rozruchową, znajdziemy, że

(3)

W odniesieniu do charakterystyki naturalnej:

maksymalny prąd rozruchowy wynosi

a w punkcie znamionowym

Dzieląc stronami oba ostatnie wyrażenia otrzymamy, że

a stad, że

(4)

Przyrównujemy do siebie równania (3) oraz (4)

i wyznaczamy stąd liczbę stopni rozruchowych

Ustaliwszy liczbę stopni rozruchowych należy obliczyć wartość rezystancji dodatkowych poszczególnych stopni.

Pierwszemu stopniowi rozruchowemu i prędkości n = 0 odpowiada równanie:

z którego można wyznaczyć dodatkową rezystancję pierwszego stopnia rozruchowego (symetryczną dla każdej fazy)

Chcąc wyznaczyć wartość liczbową R_d1 należy obliczyć rezystancję wirnika R₂ i reaktancjęΣx. Rezystancję R₂ można obliczyć biorąc za punkt wyjścia równanie mocy dla obwodu wirnika
różnica mocy wejściowej i wyjściowej wirnika równa będzie tylko stratom w obwodzie elektrycznym. W warunkach pracy znamionowej

a stąd

Reaktancję dla punktu znamionowego można wyznaczyć ze wzoru Klossa

przy czym
przeciążalność momentem.

Posługując się uproszczonym równaniem poślizgu krytycznego można wyznaczyć reaktancję

Ponieważ poślizg znamionowy, przeciążalność momentem, sem E₂₀ znamionowy prąd wirnika i moc znamionowa silnika są wartościami znanymi, więc można obliczyć wartość rezystancji dodatkowej na pierwszym stopniu rozruchowym

Rezystancje dodatkowe następnych stopni rozruchowych obliczamy na podstawie strat w obwodzie wirnika. Na początku rozruchu, gdy n=0, a straty w stali wirnika są pominięte

Analogicznie na początku drugiego stopnia rozruchowego

Dzieląc stronami oba powyższe wyrażenia i porządkując, otrzymamy rezystancję dodatkową na stopniu drugim

Równanie strat w obwodzie wirnika na początku m-tego stopnia

Dzieląc to równanie stronami przez podobne równanie na stopniu pierwszym i porządkując wyrazy otrzymamy wyrażenia rezystancji dodatkowej m-tego stopnia rozruchowego (rys. 3):

Rys. 3. Oznaczenie rezystancji dodatkowych w odwodzie wirnika silnika pierścieniowego